Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения с ограничением по току (2-25В, 0-5А)
Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения с ограничением по току, позволяет не только питать различную аппаратуру стабильным напряжением от 2 до 25 вольт, но и заряжать различные аккумуляторы стабильным током до 5А.
Описываемый блок питания позволяет регулировать стабилизированное выходное напряжение и максимальный ток в нагрузке.
Устройство работает в двух режимах: в случае питания аппаратуры - как стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок, а при зарядке аккумуляторов - как стабилизатор тока с ограничением по напряжению.
Источник питания прост в использовании, не боится перегрузок и замыкания выхода, имеет световую индикацию режима работы и высокий КПД.
Основные технические характеристики:
- Выходное напряжение, В 2 - 25;
- Ток нагрузки, А 0-5.
Такие параметры, как нестабильность, пульсации и КПД, во многом определяются режимом работы и поэтому не приведены.
По желанию характеристики можно изменить без значительных изменений устройства. Например, если необходимо получить больший выходной ток, следует поставить датчик тока - резистор R14 большей мощности, а также увеличить сопротивление переменного резистора R4. Для уменьшения пульсаций целесообразно на выходе установить LC-фильтр, однако это приведет к снижению КПД.
Принципиальная схема
Блок питания содержит следующие узлы:
- внутренний стабилизатор "отрицательного" напряжения VT1, VD1, R1 с фильтром С2;
- внутренний стабилизатор "положительного" напряжения VT2, VD2, R2 с фильтром С3;
- узел ограничения тока DA1.1, R3 4- R7, R12, R14;
- узел ограничения напряжения DA1.2, VD3, R15 4- R18;
- формирователь импульсов DD1.2, DD1.4;
- индикаторы состояния DD1.1, HL2, R10 и DD1.3, HL1, R11;
- коммутирующий транзистор VTЗ;
- конденсаторы входного С1, промежуточного С4, С5 и выходного С6 фильтров.
Работа устройства в режиме стабилизации напряжения. При включении на стабилитроне VD3 появляется напряжение, часть которого с движка переменного резистора R17 (которым регулируют выходное напряжение)поступает на инвертирующий вход DA1.2.
Поскольку коммутирующий транзистор VT3 закрыт, конденсаторы С4 4- С6 разряжены и напряжение на неинвертирующем входе DA1.2, снимаемое с движка подстроенного резистора R18, близко к + Ubx. На выходе операционного усилителя появляется высокий уровень, что приводит к включению излучающего диода оптрона U1.3. В результате откроется фототранзистор оптрона U1.1 и на нижнем по схеме входе элемента DD1.2 появится высокий уровень. Следовательно, на выходе элемента DD1.4 - также высокий уровень, который откроет коммутирующий транзистор VT3.
Рис. 1. Принципиальная схема регулируемого стабилизатора напряжения с ограничением по току.
Через дроссель L1 начинает протекать ток нагрузки и зарядки конденсаторов С4 -С6. Напряжение на конденсаторах и на подстроечном резисторе R18 начинает увеличиваться. В какой-то момент напряжение на неинвертирующем входе DA1.2 станет меньше, чем на инвертирующем. На выходе операционного усилителя DA1.2 появится низкий уровень.
Излучающий диод U1.4 и фототранзистор U1.1 оптрона закроются. На нижнем по схеме входе элемента DD1.2 и на входах элемента DD1.3 высокий уровень сменится низким. Коммутирующий транзистор закроется, а включившийся светодиод HL1 будет сигнализировать о том, что устройство работает в режиме стабилизации напряжения.
По мере разрядки на нагрузку напряжение на конденсаторах С4 - С6 и, соответственно, на подстроечном резисторе R18 будет уменьшаться. И как только напряжение на неинвертирующем входе станет больше, чем на инвертирующем, процесс повторится.
Напряжение с датчика тока - резистора R14 поступает на входы DA 1.1. Как только ток нагрузки превысит установленное значение, напряжение на неинвертирующем входе DA1.1 станет меньше, чем на инвертирующем. На его выходе появится низкий уровень, и включенный излучающий диод оптрона U 1.3 выключится.
Фототранзистор оптрона U1.2 закроется. На верхнем по схеме входе элемента DD1.2 и на входах элемента DD1.1 высокий уровень сменится низким. В результате коммутирующий транзистор закроется, а включившийся светодиод HL2 просигнализирует о работе блока питания в режиме стабилизации тока.
По мере разрядки конденсаторов С4, С5 ток через резистор R14 будет уменьшаться, что приведет к увеличению напряжения на неинвертирующем входе DA1.1 и затем к открыванию транзистора VT3. При повторном увеличении тока нагрузки процесс повторится. Ток стабилизации устанавливают переменным резистором R4.
Наладка
Налаживание блока питания начинают при отключенном транзисторе VT3. Сначала подают напряжение на вход и проверяют работу внутренних стабилизаторов. Напряжение на конденсаторе С2 должно быть в пределах 15 16 В, а на конденсаторе С3 - 8-9В. Незначительные отклонения не окажут заметного влияния на работу устройства.
Транзисторы VT1 и VT2 при любом режиме не должны сильно нагреваться.
После этого налаживают узел ограничения тока. Движок переменного резистора R4 устанавливают в левое по схеме положение, соответствующее минимальному току. Затем подстроенным резистором R6 выравнивают напряжения на входах DA1.1: следует найти такое положение, при котором с началом поворота движка резистора R4 светодиод HL2 выключался, а в крайнем левом по схеме положении включался. При такой настройке переменным резистором R4 можно изменять максимальный выходной ток от 0 до 5 А. Если все же получить максимальный ток 5 А не удастся, следует увеличить сопротивление резистора R4 и повторить налаживание.
После этого подключают коммутирующий транзистор VT3 и налаживают узел ограничения напряжения. Движок переменного резистора R4 устанавливают в положение, при котором светодиод HL2 выключен. Движок подстроенного резистора R18 устанавливают в верхнее, а движок переменного резистора R17 - в среднее по схеме положение, соответствующее половине максимального напряжения.
Подстроечным резистором R18 устанавливают половину максимального выходного напряжения, которое должен обеспечивать блок питания. При этом к выходу необходимо подключить нагрузку, например, резистор сопротивлением 100 Ом и мощностью 2 Вт.
Следует помнить, что максимальное выходное напряжение не должно сильно отличаться от действующего переменного напряжения на вторичной обмотке сетевого трансформатора.
По окончании налаживания целесообразно провести калибровку резисторов R4 и R17. Для этого при выключенном блоке питания движок резистора R17 необходимо установить в среднее, движок резистора R4 - в крайнее левое положение, подключить к выходу амперметр и подать напряжение питания. Далее, перемещая движок резистора R4, увеличить ток в цепи до какого-либо значения, например 1 А, и установить соответствующую риску напротив стрелки ручки резистора и т. д. Затем, следует откалибровать резистор R17.
При некоторых навыках, используя полученные шкалы и индикаторы HL1 и HL2, можно без измерительных приборов достаточно точно устанавливать напряжение и ток нагрузки, зарядный ток аккумуляторов и определять на них напряжение, устанавливать предельные режимы работы, ограничивая ток и напряжение в заданных интервалах.
Детали
Транзистор IRFZ44N допустимо заменить на IRF540N, хотя он требует более интенсивного охлаждения.
Параметры полевого транзистора IRFZ44N (VT3):
- максимальное напряжение сток-исток - 55 В;
- максимальный ток стока - 49 А;
- сопротивление открытого канала - 0,022 Ом.
Из параметров транзистора видно, что у описанного блока питания имеются возможности для "разгона". Кроме того, если дополнить устройство RS-триггером, получится автомат, который отключится при возникновении перегрузки либо по достижении необходимого напряжения, когда блок используется как зарядное устройство.
В качестве выпрямителя можно использованы диодные сборки КД227ГС.
Коммутирующий транзистор VT3 и диод VD4 размещают на теплоотводе размерами 60x90x7 мм.
Устройство можно питать от сетевого трансформатора с действующим напряжением на вторичной обмотке 20 - 25 В, который обеспечит необходимый ток нагрузки.
Если напряжение питания устройства значительно отличается от указанного на схеме, следует учесть, что сопротивление резисторов R1 и R2 рассчитывают из условия обеспечения тока стабилитронов VD1 и VD2 в пределах 3-10 мА.
При существенном увеличении питающего напряжения возможно значительное возрастание мощности, рассеиваемой на транзисторах VT1 и VT2 - их следует установить на теплоотводы.
Дроссель L1 изготавливают на основе магнитопровода Б36. Обмотка содержит 20 витков провода ПЭВ 1,35. Готовую катушку заливают эпоксидной смолой.
При сборке магнитопровода между чашками устанавливают немагнитную прокладку 0,3 -ь 0,5 мм.
Конденсатор С4 - ниобиевый или танталовый (К52-9, К53-27) на номинальное напряжение не менее 32 В.
Если конденсаторы фильтров не удастся расположить на плате (из-за больших габаритов), их целесообразно разместить отдельно, увеличив ёмкость конденсатора С1 до 15000 мкФ, а конденсатора С6 - до 4700 мкФ.
Светодиоды HL1 и HL2 - КИПД66 Б - Л или любые другие, обеспечивающие необходимую индикацию. Желательно, чтобы они были разного цвета.
Чертеж монтажной платы представлен в журнале "Радио" № 1 за 2004 год.
Источник: Ходасевич А. Г, Ходасевич Т. И., Зарядные и пуско-зарядные устройства, Выпуск 2.